銅合金材料在船舶上的應用

葉開君，蔡興浩，干 健

（安徽凱斯威精工科技有限公司，安徽 銅陵 244000）

0 引言

在航海運輸行業(yè)飛速發(fā)展進程中，艦船的塢修工作量不斷增加，材料被海水腐蝕是艦船塢修問題的主要來源之一。而銅合金材料具有高強度、工藝性能優(yōu)良、耐海水與淡水腐蝕、耐過熱蒸汽腐蝕以及抗穴腐蝕性能等特點，在艦船中具有較大的應用優(yōu)勢。但是在應用銅合金材料時，若采取不恰當?shù)墓に嚧胧?，將產(chǎn)生變形、熱裂紋、氣孔、難熔合等問題。因此，探究艦船常用銅合金材料以及對應的加工工藝具有非常重要的意義。

1 銅合金材料

銅合金材料是合金材質(zhì)的一種，特指以純銅為基礎加入錫、鋅、鋁、錳等1種或多種元素構(gòu)成的合金。當前銅合金材料主要包括青銅、白銅、黃銅幾種類型。因銅合金材料具有優(yōu)良的耐腐蝕、導電性能，被大量應用于航海、航天以及印刷電路領(lǐng)域。

2 基于銅合金材料的艦船應用

2.1 冷卻器用銅合金材料

對于艦船冷卻器（冷凝管）來說，由于其需要長時間處于高溫度、高氣壓以及高濃度冷卻介質(zhì)、腐蝕介質(zhì)環(huán)境，對制造材料的力學性能、耐海水腐蝕性能、化學成分以及工藝性能、幾何尺寸精度、內(nèi)部組織等均具有較高的要求[1]。在艦船冷凝管制造過程中，應用頻率較高的銅合金類型為黃銅，如HAl77-2鋁黃銅、黃銅HSn70-1等，規(guī)格外徑最大為35.00 mm，最小為10.00 mm，壁厚最大為3.50 mm，最小為0.75 mm。其中HAl77-2鋁黃銅強度、腐蝕性均較高，已列入GB/T5231，可以承受不同海域水質(zhì)腐蝕，除HAl77-2鋁黃銅以外，黃銅HSn70-1、AB銅合金HSn70-1也因高耐腐蝕性能被大量應用于艦船冷凝管制造。但是，黃銅合金抗脫鋅腐蝕能力稍弱，需要進一步優(yōu)化。鐵白銅是黃銅進一步優(yōu)化的產(chǎn)物之一，可以在冷凝器、海水淡化設備或者其他需要長時間、大面積承受海水腐蝕的船舶部件中應用，如BFe30-1-1、BFe10-1-1、BFe30-2-2等。其中BFe30-2-2耐砂腐蝕性能較佳，適用于含砂量較大海域的艦船冷凝管制造。常見的艦船冷凝管用銅合金組成如表1所示。

表1 現(xiàn)代船舶管理中的人才管理分類

2.2 船體結(jié)構(gòu)用銅合金材料

船體結(jié)構(gòu)包括船體主體和上層建筑。因船體結(jié)構(gòu)工作環(huán)境較為惡劣、運行壓力較大，對結(jié)構(gòu)材料的可靠性、可維修性均具有較高的要求。當前，在船體結(jié)構(gòu)中應用概率較高的銅合金材料如表2所示。

表2 船體結(jié)構(gòu)常用銅合金組成（質(zhì)量分數(shù)/%）

上述材料屈服強度應超過630.00 MPa，延伸率應≥15.0%，面縮率≥40.0%，13.0 mm＜板厚度＜150.00 mm，沖擊韌性≥45.00 J/cm2。

2.3 泵體與葉輪

ZCuZn16Si4黃銅、ZCuSn3Zn8Pb6Ni1青銅在艦船泵體（動力泵）、葉輪轉(zhuǎn)軸中應用頻率較高。除上述材料外，磷青銅、錫青銅、鋁青銅、硅黃銅也較為常用，如ZQSn10-2青銅合金、3-8-6-1錫鋅鉛鎳青銅、80-3硅黃銅、QAl10-3-1.5青銅合金、ZQSn10-2青銅合金等[2]。其中艦船泵體材料主要用銅合金類型為：鎳合金青銅、錫青銅、白銅、磷青銅、鈹青銅等；艦船葉輪主要用銅合金材料為鋁青銅9442、錫青銅555、硅黃銅16-4等。

2.4 螺旋槳用銅合金材料

在艦船應用初期，螺旋槳主要用材料為鑄鐵、普通鑄鋼，上述材料無法滿足腐蝕疲勞需求，此時，兼具高腐蝕疲勞強度、抗拉強度、抗空泡腐蝕強度的鎳鋁青銅逐漸開始在艦船螺旋槳制造中應用，如黃銅、錫青銅、Ni-Al青銅等[3]。

2.5 系統(tǒng)管路用銅合金材料

艦船系統(tǒng)管路與海域連通的特點，導致其需要直接與海水接觸，特別是位于艦船艙底的管路，運行環(huán)境極其嚴苛，腐蝕風險時刻存在，對艦船管路效用的最大化發(fā)揮造成了較大影響。當前在艦船系統(tǒng)通海管路中應用規(guī)模較大的銅合金材料為紫銅、銅鎳合金、鋁黃銅等。如GJB4000、《艦船海水管、排煙管選材及防腐技術(shù)要求》中推薦的B10銅鎳管、TP2Y紫銅管、B30銅鎳管以及HAl77-2鋁黃銅、TP2磷脫氧銅、HSn70-1錫黃銅、H62黃銅、BFe30-1-1白銅、BFe10-1-1白銅等。其中TP2Y紫銅兼具耐靜海腐蝕性能佳以及工藝性能佳的優(yōu)良特點，在艦船通海系統(tǒng)管路中應用范圍較大，但在該材料應用過程中，需要控制海水流動速度，且焊接階段脫鋅腐蝕風險較高?；诖耍梢岳肂30鐵白銅、B10鐵白銅代替TP2Y紫銅，上述材料不僅具有優(yōu)異的物理、力學性能，而且耐海水腐蝕性能較佳，可以避免艦船管路實際使用過程中出現(xiàn)接頭腐蝕爛穿、彎頭腐蝕爛穿等問題。

3 基于銅合金材料的艦船加工工藝

3.1 冷卻器加工工藝

1）水平連鑄－軋制－直拉／盤拉法

水平連鑄－軋制－直拉／盤拉法又可稱之為鑄軋拉法，多用于低鎳白銅制冷凝管，具有工模具費用投資少、工藝流程短、成材率高的優(yōu)良特點。該技術(shù)主要是利用三輥行星軋機，依據(jù)90.00%及以上的變形率，進行銑面后水平連鑄厚壁管坯的冷加工變形處理。進而在保護氣保護環(huán)境中，利用銅合金冷加工變形期間產(chǎn)生的大量變形熱（700.00℃～850.00℃），促使銅合金發(fā)生完全再結(jié)晶焊合，確保管坯晶體顆粒細小均勻且表面光滑明亮。

2）擠壓－軋管－拉伸法

擠壓－軋管－拉伸法在低鎳白銅制艦船冷凝管中也較為常用，需要在立式連鑄或半連鑄基礎上，對錠坯進行加熱，并從正向或者反向?qū)訜岷箦V坯進行擠壓。切除錠坯頭部及尾部后進行酸洗、水洗。水洗后進行軋管冷加工變形及鋸切，退火后進行酸洗及水洗，初步拉伸。再次進行退火、酸洗、水洗、拉伸操作。二次拉伸完畢后進行平直矯正操作，并配合切定尺進行脫脂處理。在脫脂處理后，利用渦流探傷法檢查成品，確認無誤后進行成品光亮退火。

在擠壓－軋管－拉伸法應用過程中，因擠壓變形期三向壓應力的存在，銅合金塑性得到了充分發(fā)揮，變形量較大，可以充分優(yōu)化銅合金材料組織以及力學性能，解決內(nèi)部氣孔、縮孔問題，獲得高尺寸精度、細小均勻晶體顆粒、致密組織、穩(wěn)定質(zhì)量的合金品種。但是這傳統(tǒng)工藝成材率不高，且存在油斑、碳膜、酸斑等表面質(zhì)量風險[4]。

3）帶材－焊接－拉伸法

帶材－焊接－拉伸法是一種大面積應用于艦船冷凝管用銅合金材料加工的工藝，在Bfe30-1-1、HAl77-2等銅合金材料加工中應用效果較佳。該工藝具有工藝流程短、成材率高、生產(chǎn)效率高、壁厚尺寸均勻度高的優(yōu)良特點。

3.2 船體結(jié)構(gòu)加工工藝

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)特點及銅合金材料冷加工硬化速度慢的特征，可以選擇熔煉保溫機組熔煉－立式連續(xù)鑄造機鑄造－天然感應加熱－油壓機長錠－大擠壓比水封擠壓－長行程環(huán)孔軋制－游動芯頭二聯(lián)拉連續(xù)拉伸方法，其中長錠工序使用的油壓機型號為35 MN，而在擠壓比水封擠壓工序應確保管坯單體重量超過200.00 kg。該工序可獲得90.00%及以上的冷變形程度，且免除中間完全再結(jié)晶退火、硝酸酸洗操作，能量損耗以及制造加工成本均處于較低水平，酸斑點問題得到了徹底解決。

除上述工藝外，還可選擇熔煉保溫機組熔煉－立式連續(xù)鑄造加熱－天然氣與感應加熱－水封擠壓－頭部及尾部切除－軋管脫脂－游動芯頭二聯(lián)拉機組－直條拉伸－矯直－鋸切－探傷－表面除油－網(wǎng)帶爐光亮退火工藝，適應銅合金材料特性，消除表面有害油斑、碳膜、金屬氧化膜、酸斑等皮膜。

3.3 管道及泵體加工工藝

艦船通海管道裝置主要用的銅合金材料為BFe10-1-1鐵白銅。以外徑＜159.00 mm、2.50 mm＜壁厚＜3.50 mm大于2.50 mm的管材加工為例，可以選擇半連續(xù)鑄造白銅鑄錠－鑄錠加熱－水封擠壓－固定短芯頭連續(xù)多次拉伸－成品光亮退火工藝。根據(jù)艦船通海管道口徑大、壁厚小的特點，在長芯桿拉伸階段，長芯桿、管坯表面相對運動較少，摩擦力處于較小的水平，可以在控制徑長縮減程度的同時增加壁厚縮減，同時壓縮拉伸道次與管坯擠壓程度，提高加工效率[5]。

除半連續(xù)鑄造白銅鑄錠－鑄錠加熱－水封擠壓－固定短芯頭連續(xù)多次拉伸－成品光亮退火工藝外，對于規(guī)格單一、規(guī)模產(chǎn)能大的艦船用管路，還可以根據(jù)《船用BFe10-1-1大口徑薄壁管材研制》《用微變法拉制生產(chǎn)軟態(tài)BFe10-1-1管材》，選擇離心鑄造－半連續(xù)鑄造－鑄錠加熱－光亮退火－短芯頭拉伸－光亮退火－短芯頭拉伸－光亮退火工藝，或者離心鑄造－旋壓－光亮退火－旋壓－光亮退火工藝。其中離心鑄造－旋壓－光亮退火－旋壓－光亮退火工藝可用外徑1000.00 mm或者外徑194.00 mm；2.50 mm≤壁厚≤6.00 mm的厚壁管坯用BFe10-1-1材料加工，旋壓環(huán)節(jié)可以通過將圓柱形長芯棒傳入管坯，利用安放在管坯外表的軋輥沿著與金屬流動呈90°的方向旋轉(zhuǎn)碾壓，利用徑向壓縮力、軸向壓縮力、軸向延伸力促使銅合金材料發(fā)生形狀變換，配合多次70.00%以上的冷加工以及100.00%再結(jié)晶退火，獲得更加均勻的壁厚、更大的壁厚縮減量以及完全的再結(jié)晶組織。

3.4 螺旋槳加工工藝

以整鑄螺旋槳為例，首先將事先加工的模具總裝，總裝時要確定螺旋槳的中心點，要將槳葉上各個弧線半徑的中心點固定，固定式保持誤差≤1 mm；然后定位槳轂，槳轂定位軸尖端與漿葉半徑線誤差≤2 mm，并且保持漿葉對稱。將Ni-Al青銅材料按照成分要求投入熔爐中，溫度達到1200℃～1250℃時調(diào)整成分，除氣除渣；成分及溫度正確后出爐，控制澆注溫度1150℃～1200℃快速澆注完成。澆注完成后應保證足夠的冷卻時間，開箱后的溫度≤100℃；冷卻后的鑄件經(jīng)切割去除澆注系統(tǒng)，先加工槳轂，確定定位后采用螺距規(guī)按照設計的螺距逐步打磨拋光至正確尺寸。經(jīng)過加工完成的螺旋槳，需要依次完成靜平衡和氣密性實驗。盡量保持鑄造螺旋槳毛坯的完整性，避免焊接。確實無法避免，應采用預熱-焊接-熱處理的步驟減少焊接應力傷害。

4 結(jié)語

艦船冷凝器、螺旋槳、泵體葉輪以及海水管道裝置因熱交換、傳輸介質(zhì)均為海水，對制造材料的抗海水腐蝕性能、耐疲勞強度、力學性能具有較高要求。在艦船各組成部分用銅合金材料牌號確定之后，選擇適宜的加工方法，確保銅合金材料優(yōu)良性能的充分發(fā)揮，為艦船的安全、平穩(wěn)工作提供支持。